大跨度屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)吊裝地面免加固技術(shù)

中鐵建工集團(tuán)有限公司 上海 200331

1 工程概況

南昌鐵路西站總建筑面積約26 萬m2，共分4 層，地下2層為南昌地鐵2號線、地下1層為高鐵出站大廳、地面1層為站臺層、地面2層為高架候車層，地下1層層高10.8 m，站臺層層高10 m，高架層層高15～25 m，站房平面尺寸為168 m×385 m（圖1）。

圖1 南昌西站鳥瞰

2 結(jié)構(gòu)體系情況

2.1 地鐵2號線

2號線隧道為處于地下2層的三跨矩形箱體框架結(jié)構(gòu)，車站底板、中板、頂板縱向自南向北以2‰的坡度傾斜；箱涵典型層高7.86 m，箱涵外墻厚700 mm，站臺段中墻厚800 mm，隧道段中隔墻厚500 mm；地鐵隧道頂板厚400 mm，底板厚800 mm（圖2）。

2.2 國鐵地下通道（地下1層）底板結(jié)構(gòu)

厚800 mm C40混凝土，雙層雙向Φ25 mm@200 mm鋼筋網(wǎng)，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)帶位置為地鐵隧道箱涵側(cè)板外2 000 mm。

圖2 地鐵2號線主體結(jié)構(gòu)典型橫剖面（公共區(qū)）

2.3 站臺層結(jié)構(gòu)

站臺層結(jié)構(gòu)平面如圖3，其中，字母軸主梁主要為3 100 mm×1 800 mm矩形中空扁梁，數(shù)字軸梁主要為3 100 mm×1 800 mm、2 300 mm×1 500 mm不等，數(shù)字軸方向于12軸、13軸兩側(cè)分別布置加強(qiáng)帶，距軸線距離4 750 mm，字母軸方向結(jié)合結(jié)構(gòu)縫、正線橋及加強(qiáng)帶，共分為8×3=24 個區(qū)。

2.4 地面以上結(jié)構(gòu)及屋面

高架層以上鋼柱截面A1 700 mm×30 mm，其中11軸、14軸線兩列鋼柱（計16 根）分四叉，豎叉為A700 mm×20 mm，其余鋼柱（計8 根）與9軸、16軸兩列鋼柱（計34 根）均為標(biāo)準(zhǔn)鋼管柱，站房屋面采用倒三角管桁架結(jié)構(gòu)體系，桁架最大跨度61 m，截面高度約3 m，桁架弦桿規(guī)格A377 mm×10 mm、腹桿規(guī)格A133 mm×8 mm。

圖3 站臺層結(jié)構(gòu)平面布置

3 結(jié)構(gòu)拆解分析

根據(jù)以上對地鐵、國鐵底板，軌道層，高架層，屋面鋼構(gòu)的整體分析，12、13軸結(jié)構(gòu)柱到高架候車層即封頂，9、11、14、16軸柱起到屋面鋼結(jié)構(gòu)的支撐作用，典型結(jié)構(gòu)斷面如圖4所示。

圖4 站房主體斷面示意

由圖4可看到，軌道層、高架層距12、13軸處分別設(shè)置加強(qiáng)帶，該處可作為施工縫處理，即12、13軸結(jié)構(gòu)根據(jù)需要，可以做預(yù)留后施工處理。

4 吊裝通道設(shè)計

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)拆解分析，考慮12、13軸結(jié)構(gòu)預(yù)留，則可利用地鐵隧道箱涵和站房地下室底板的承載力，行走履帶吊車以進(jìn)行屋面鋼結(jié)構(gòu)的吊裝；兩側(cè)屋面的鋼結(jié)構(gòu)，則可利用出租車通道頂板，架設(shè)路基箱行走履帶吊車。

根據(jù)擬訂的安裝方案，結(jié)合屋蓋桁架的單元劃分方案，擬在8～9軸、11～12軸、13～14軸、16～17軸間共布置4 道垂直于軌線的吊車行走通道（圖5）。

圖5 屋面鋼結(jié)構(gòu)吊裝形象示意

5 吊車行走通道設(shè)計及承載力復(fù)核[1-8]

5.1 地鐵上方11～12軸、13～14軸間行走通道設(shè)計

（a）路基箱布置：11～12軸、13～14軸間布置L=15 m路基箱，橫跨地鐵側(cè)墻與地下室－11.5 m底板，再沿吊機(jī)行走方向（垂直鐵路橋方向）鋪設(shè)L=18 m路基箱，如圖6所示。

圖6 吊車路基箱布置示意

（b）路基箱承載力計算：本次中間軸吊裝選用SCX2500全油壓履帶起重機(jī)，根據(jù)吊機(jī)參數(shù)和工作狀態(tài)下路基箱的計算可知，吊車在工作狀態(tài)時可能對路基板產(chǎn)生的最大彎矩6 687 kN·m，最大剪力Vmax＝1 486 kN，即為路基板的設(shè)計荷載，對應(yīng)的線荷載為234.2 kN/m，初選路基箱截面為800 mm×2 000 mm。路基箱跨中最大撓度為14.9 mm≤18 000/400=45 mm，最大組合應(yīng)力61.0 N/mm2＜295 N/mm2，滿足承載力要求。

（c） 路基箱支座計算：以18 m跨路基箱及支撐為計算對象，計算中考慮自重和吊車作業(yè)荷載。圖7為路基箱及其支座布置簡圖，經(jīng)計算分析可知，在最不利情形下，單個支座最大支座反力為2 177 kN。

圖7 路基箱及其支座布置示意

經(jīng)過上述驗算，路基箱強(qiáng)度具有足夠安全儲備，且滿足使用剛度要求。下面再根據(jù)路基箱不同的支承狀態(tài)，對下部支撐構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度驗算。

路基箱下墻體厚度700 mm，高度7.55 m，從偏于保守考慮，僅考慮路基箱寬度范圍內(nèi)混凝土墻體抗壓承載力，同時不考慮縱向鋼筋的貢獻(xiàn)?；炷翉?qiáng)度等級C40，fc=19.1 N/mm2。

通過計算可以看出，吊車及通道對支承墻體產(chǎn)生的附加荷載，只占墻體抗壓承載力的很小比例，因此，支承墻體可滿足吊車通行的要求。

另有部分墻體厚800 mm，高度相同，作為支承墻體同樣可滿足吊車通行的要求。

5.2 出租車通道上方吊裝通道布置

根據(jù)總體施工計劃，站臺兩側(cè)出租車通道區(qū)域施工隨鐵路橋及地下室施工同步推進(jìn)，故此8～9軸，16～17軸履帶吊機(jī)需行走于出租車通道頂板上部，但由于出租車通道頂板不完全滿足吊機(jī)直接行走要求，故局部需采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。

5.2.1 8～9軸區(qū)域

因該區(qū)域出租車通道兩側(cè)均有800 mm擋墻，吊機(jī)行走采用了大型路基箱（H=700 mm路基箱）橫跨兩側(cè)擋墻，再沿吊機(jī)行走方向縱向鋪設(shè)L=15～18 m路基箱的方式（圖8）。

圖8 8～9軸出租車通道頂板吊機(jī)行走剖面示意

5.2.2 16～17軸區(qū)域

該部位由于出租車通道變寬，且下部無支撐墻體，故需要設(shè)置臨時支撐，以滿足頂板行走吊車的承載力要求；獨(dú)立支撐如見圖9、圖10所示，獨(dú)立支撐基礎(chǔ)部分采用植筋方式固定。

立柱支撐承擔(dān)吊車及路基箱所產(chǎn)生的附加荷載，經(jīng)用有限元分析軟件Midas GEN 7.8.0建模進(jìn)行驗算，驗算結(jié)果如下。

附加荷載作用下，獨(dú)立支撐壓縮變形3 mm，此變形被加固混凝土梁所分擔(dān)，故豎向荷載較小，即所加獨(dú)立支撐可有效承擔(dān)路基箱通道及吊車荷載。

6 結(jié)語

通過該工程，我們總結(jié)：

（a）根據(jù)對站房整體結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場條件的分析之后，因時、因地制宜，確定了“地面組裝+高空拼裝”的方案，并且采用“跨內(nèi)跨外聯(lián)合吊裝”的方式進(jìn)行屋蓋鋼結(jié)構(gòu)吊裝。

（b）根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和通道設(shè)計，投入4 臺2 500 kN履帶吊可以滿足屋蓋鋼結(jié)構(gòu)吊裝要求。

圖9 16～17軸出租車通道頂板吊機(jī)行走剖面示意

圖10 獨(dú)立支撐示意

（c）通過吊裝工況的計算分析，吊機(jī)行走通道應(yīng)設(shè)置鋼路基箱；其中間軸地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)墻強(qiáng)度和剛度，能夠充分滿足吊裝設(shè)備承重的需要；兩側(cè)出租車通道部分頂板則要進(jìn)行局部頂撐加固，加固后能夠充分滿足吊裝設(shè)備行走的需要。

（d）該免加固吊裝技術(shù)，通過預(yù)留結(jié)構(gòu)后施工，充分利用地鐵和出租車通道側(cè)墻剛度，落地吊裝，不僅滿足了屋面鋼結(jié)構(gòu)的吊裝需求，且由于無需對軌道層和高架層結(jié)構(gòu)進(jìn)行滿支撐加固，節(jié)約了巨額成本，并有效地保證了工期的快速進(jìn)行。